Hochfeste Aluminiumlegierung hat eine hohe spezifische Festigkeit, spezifische Steifigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, Verarbeitungsleistung und mechanische Eigenschaften. Es ist zu einem unverzichtbaren Metallwerkstoff für den Leichtbau im Bereich der Luft- und Raumfahrt, Marineschiffe usw. geworden. Unter ihnen werden Flugzeuge am häufigsten verwendet. . Die Schweißtechnologie hat einzigartige Vorteile bei der Verbesserung der Nutzungsrate von Strukturmaterialien, der Reduzierung des Strukturgewichts und der Realisierung einer kostengünstigen Herstellung komplexer und unterschiedlicher Materialgesamtstrukturen. Unter ihnen ist die Laserschweißtechnologie von Aluminiumlegierungen ein Hot Spot, der viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat.

Gegenüber anderen Schweißverfahren hat das Laserschweißen die Vorteile konzentrierter Erwärmung, geringer thermischer Schädigung, großem Aspektverhältnis der Schweißnaht und geringem Schweißverzug. Der Schweißprozess ist einfach zu integrieren, zu automatisieren und flexibel und ermöglicht schnelles und hochpräzises Schweißen. Geeignet zum hochpräzisen Schweißen komplexer Strukturen.

01 CO2-Gaslaser

Das Arbeitsmedium ist CO2-Gas und der Laser mit 10.6 μm Wellenlänge wird ausgegeben. Entsprechend der Laseranregungsstruktur wird sie in zwei Typen unterteilt: Querströmung und Axialströmung. Obwohl die Ausgangsleistung des Cross-Flow-CO2-Lasers 150 kW erreicht hat, ist die Strahlqualität schlecht und nicht zum Schweißen geeignet; Der CO2-Laser mit axialem Fluss hat eine gute Strahlqualität und kann zum Schweißen von Aluminiumlegierungen mit hoher Laserreflexion verwendet werden.

02 YAG-Festkörperlaser

Das Arbeitsmedium ist Rubin, Neodym-Glas und Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat usw. und die Ausgangswellenlänge beträgt 1.06 μm Laser. YAG-Laser werden leichter von Metall absorbiert als CO2-Laser und werden weniger von Plasma beeinflusst. Es ist eine Glasfaserübertragung, ein flexibler Schweißbetrieb und eine gute Zugänglichkeit der Schweißposition. Er ist derzeit der wichtigste Laser zum Schweißen von Aluminiumlegierungsstrukturen.

03 YLR Faserlaser

Es handelt sich um einen neuen Lasertyp, der nach 2002 entwickelt wurde. Er verwendet optische Fasern als Matrixmaterial, die mit verschiedenen Seltenerdionen dotiert sind, und der Ausgangswellenlängenbereich beträgt etwa 1.08 μm. Es ist auch eine Glasfaserübertragung. Der Faserlaser revolutioniert die Verwendung einer doppelt ummantelten Faserstruktur, erhöht die Pumplänge und verbessert die Pumpeffizienz, so dass die Ausgangsleistung des Faserlasers stark erhöht wird. Verglichen mit dem YAG-Laser hat der YLR-Faserlaser, obwohl er später auftauchte, die Vorteile einer geringen Größe, niedriger Betriebskosten, hoher Strahlqualität usw. und die erhaltene Laserleistung ist hoch.

Forschung zur Anwendung der Laserschweißstruktur von Aluminiumlegierungen

Seit den 1990er Jahren, mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie und dem Aufkommen von Hochleistungs- und Hochleistungslasern, ist die Integration, Intelligenz, Flexibilität und Diversifizierung der Laserschweißtechnologie gereift. Im In- und Ausland wurde dem Laserschweißen in verschiedenen Bereichen der Aluminiumlegierungsanwendung in der Struktur mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Gegenwärtig haben einige Automobilhersteller in meinem Land die Laserschweißtechnologie in einigen neuen Modellen übernommen. Mit der Entwicklung der Laserschweißtechnologie für Dickbleche aus Aluminiumlegierungen wird das Laserschweißen in Zukunft auf gepanzerte Fahrzeugstrukturen angewendet.

Um eine Leichtbaufertigung zu erreichen, ist die Anwendung und Erforschung des Laserschweißens von Sandwichstrukturen aus Aluminiumlegierungen der aktuelle Forschungsschwerpunkt bei der Herstellung von Schiffen und Hochgeschwindigkeitszugstrukturen. Aluminiumlegierung ist ein wichtiges Metallstrukturmaterial für Luft- und Raumfahrtstrukturen, daher messen Industrieländer wie Japan, die Vereinigten Staaten, Großbritannien, Deutschland und andere entwickelte Länder der Erforschung der Laserschweißtechnologie von Aluminiumlegierungen große Bedeutung bei.

Mit der Entwicklung der Faserlaserschweißtechnologie hat die Luftfahrtindustrie fortgeschrittener Länder die Faserlaserschweiß- und Laserlichtbogen-Hybridschweißtechnologie als Schwerpunkt der Schweißtechnologie von Aluminiumlegierungen aufgeführt, insbesondere des Dickblechschweißens und des Schweißens ungleicher Metalle, wie z Staaten NALI Das Projekt forscht über Faserlaserschweißen und Laserlichtbogen-Hybridschweißtechnologie für zivile Flugzeuge und Brennkammerstrukturen von JSF-Flugzeugtriebwerken.

Merkmale des Laserschweißens von Aluminiumlegierungen

Im Vergleich zum herkömmlichen Schmelzschweißen weist das Laserschweißen von Aluminiumlegierungen eine konzentrierte Erwärmung, ein großes Seitenverhältnis der Schweißnaht und eine geringe Verformung der Schweißstruktur auf, es gibt jedoch einige Nachteile. Zusammengefasst sind dies:

1) Der kleine Durchmesser des Laserfokusflecks führt zu hohen Anforderungen an die Schweiß- und Montagegenauigkeit des Werkstücks. Im Allgemeinen müssen der Montagespalt und das Ausmaß der Fehlausrichtung weniger als 0.1 mm oder 10 % der Blechdicke betragen, was die Implementierung einer komplexen dreidimensionalen Schweißkonstruktion erschwert;

2) Da das Reflexionsvermögen der Aluminiumlegierung für den Laser bei Raumtemperatur bis zu 90 % beträgt, erfordert das Laser-Tiefschweißen von Aluminiumlegierungen einen Laser mit höherer Leistung. Die Forschung zum Laserschweißen von Aluminiumlegierungsblechen zeigt, dass das Laser-Tiefschweißen von Aluminiumlegierungen von den zwei Schwellenwerten der Laserleistungsdichte und der Linienenergie abhängt. Laserleistungsdichte und Linienenergie schränken zusammen das Verhalten des Schmelzbades während des Schweißprozesses ein und spiegeln letztendlich die Umformeigenschaften der Schweißnaht wider. Oben kann die Prozessoptimierung von Vollschweißnähten anhand des Rücken-zu-Breiten-Verhältnisses der charakteristischen Parameter für die Schweißnahtformung bewertet werden;

3) Aluminiumlegierung hat einen niedrigen Schmelzpunkt und eine gute Fließfähigkeit des flüssigen Metalls. Es erzeugt eine starke Metallverdampfung unter der Wirkung eines Hochleistungslasers. Die durch den kleinen Locheffekt während des Schweißprozesses gebildete Metalldampf-/Photoplasmawolke beeinflusst die Laserenergie der Aluminiumlegierung. Die Aufnahme von Chrom verursacht die Instabilität des Tiefschweißprozesses, und die Schweißnaht ist anfällig für Fehler wie Poren, Oberflächenkollaps, Hinterschneidung usw.;

4) Das Laserschweißen hat eine schnelle Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit und die Härte der Schweißnaht ist höher als die des Lichtbogens. Aufgrund des Brennens von Legierungselementen beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen, das die Verstärkungswirkung der Legierung beeinflusst, besteht jedoch immer noch ein Erweichungsproblem bei der Schweißung der Aluminiumlegierung, wodurch die Verbindungen beim Schweißen von Aluminiumlegierungen verringert werden. Stärke. Daher besteht das Hauptproblem beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen darin, Schweißfehler zu kontrollieren und die Leistung von Schweißverbindungen zu verbessern.

Fehlerkontrolltechnologie beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen

Unter der Wirkung von Hochleistungslasern sind die Hauptfehler beim Laser-Tiefschweißen mit Aluminiumlegierung Poren, Oberflächenkollaps und Hinterschneidungen. Unter diesen können Oberflächenkollaps und Hinterschneidungsfehler durch Laserdraht-Füllschweißen oder Laserlichtbogen-Hybridschweißen verbessert werden. Die Kontrolle von Stomatadefekten ist schwieriger.

Bisherige Forschungsergebnisse zeigen: Beim Laser-Tiefschweißen von Aluminiumlegierungen gibt es zwei Arten von charakteristischen Poren. Eine davon sind metallurgische Poren, bei denen es sich um Wasserstoffporen handelt, die durch Materialverschmutzung oder das Eindringen von Luft während des Schweißprozesses, wie beim Lichtbogenschmelzschweißen, verursacht werden; das andere ist der Prozess Die Poren werden durch die instabilen Schwankungen der kleinen Löcher verursacht, die beim Laser-Tiefschweißprozess inhärent sind.

Beim Laser-Tiefschweißverfahren hinkt das kleine Loch aufgrund der viskosen Wirkung des flüssigen Metalls oft der Strahlbewegung hinterher. Sein Durchmesser und seine Tiefe werden durch den Plasma-/Metalldampf beeinflusst und schwanken. Mit der Bewegung des Strahls und dem Fluss des geschmolzenen Metalls wird das Loch Beim Einschweißen mit tiefem Einbrand treten Blasen an der Spitze des kleinen Lochs aufgrund des Metallflusses des geschmolzenen Bades auf, während beim Tiefschweißen mit vollem Einbrand, Blasen erscheinen an der Taille in der Mitte des kleinen Lochs.

Blasen wandern und rollen mit dem Fluss des flüssigen Metalls oder entweichen der Oberfläche des Schmelzbades oder werden in kleine Löcher zurückgedrückt. Wenn die Blasen durch das Schmelzbad verfestigt und von der Metallfront eingefangen werden, werden sie zu Schweißporen.

Offensichtlich werden metallurgische Poren hauptsächlich durch Vorschweißen kontrolliert Oberflächenbehandlung Kontrolle und angemessener Gasschutz während des Schweißens. Der Schlüssel zur Bearbeitung von Poren liegt darin, die Stabilität der kleinen Löcher im Laser-Tiefschweißverfahren zu gewährleisten. Nach den Forschungen der inländischen Laserschweißtechnologie sollte die Porositätskontrolle beim Laser-Tiefschweißen von Aluminiumlegierungen alle Aspekte des Schweißens, des Schweißprozesses und der Nachbehandlung umfassend berücksichtigen. Zusammenfassend gibt es folgende neue Verfahren und neue Technologien.

01 Behandlungsmethode vor dem Schweißen

Die Oberflächenbehandlung vor dem Schweißen ist eine wirksame Methode zur Kontrolle metallurgischer Poren beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen. Üblicherweise umfassen die Methoden der Oberflächenbehandlung physikalische und mechanische Reinigung und chemische Reinigung. In den letzten Jahren ist auch die Laserschockreinigung erschienen, die die Automatisierung des Laserschweißens weiter verbessern wird.

02 Parameterstabilitätsoptimierungssteuerung

Die Prozessparameter des Laserschweißprozesses aus Aluminiumlegierungen umfassen normalerweise hauptsächlich die Laserleistung, den Defokussierungsbetrag, die Schweißgeschwindigkeit und die Zusammensetzung und Durchflussrate des Gasschutzes. Diese Parameter beeinflussen nicht nur die Schutzwirkung des Schweißbereichs, sondern auch die Stabilität des Laser-Tiefschweißprozesses und damit die Schweißporen.

Beim Laser-Tiefschweißen von Aluminiumlegierungsblechen wurde festgestellt, dass die Stabilität des Eindringens kleiner Löcher die Stabilität des Schmelzbades beeinflusst, was wiederum die Schweißnahtbildung beeinflusst und Schweißporenfehler verursacht, sowie die Stabilität des Laser-Tiefschweißens hängt mit der Abstimmung von Laserleistungsdichte und Linienvolumen zusammen. Daher ist es eine wirksame Maßnahme, um die Porosität von Laserschweißnähten aus Aluminiumlegierungen effektiv zu kontrollieren, um die vernünftigen und stabilen Parameter des Schweißnahtformungsprozesses zu bestimmen.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zu den Umformeigenschaften der voll durchgeschweißten und stabilen Schweißnaht zeigen, dass das Verhältnis der Breite des Schweißrückens zur Breite der Schweißnahtoberfläche (das Verhältnis der hinteren Breite der Schweißnaht) ist verwendet, um die Formgebung und Stabilität der Schweißnaht des Aluminiumlegierungsblechs zu bewerten. Wenn die Laserleistungsdichte des Dünnplatten-Laserschweißens angemessen an die Linienenergie angepasst ist, kann ein bestimmtes Verhältnis von Schweißnaht zu Breite sichergestellt werden, und die Schweißporen können effektiv kontrolliert werden.

03 Doppelpunkt-Laserschweißen

Als Doppelpunkt-Laserschweißen bezeichnet man das Schweißverfahren, bei dem zwei fokussierte Laserstrahlen gleichzeitig auf dasselbe Schmelzbad einwirken. Beim Laser-Tiefschweißverfahren ist das sofortige Schließen des Gases in dem kleinen Loch im Schmelzbad einer der Hauptgründe für die Bildung von Schweißporen.

Beim Doppelpunkt-Laserschweißen fördert die große Öffnung des kleinen Lochs aufgrund der Wirkung der beiden Lichtquellen das Entweichen von Metalldampf im Inneren und ist auch der Stabilität des kleinen Lochs zuträglich, dadurch Verringerung der Schweißnahtporosität. Untersuchungen zum Laserschweißen von Aluminiumlegierungen A356, AA5083, 2024 und 5A90 haben gezeigt, dass das Doppelpunkt-Laserschweißen die Schweißporen erheblich reduzieren kann.

04 Laserlichtbogen-Hybridschweißen

Das Laserlichtbogen-Hybridschweißen ist ein Schweißverfahren, bei dem Laser und Lichtbogen auf dasselbe Schmelzbad aufgebracht werden. Im Allgemeinen ist der Laser die Hauptwärmequelle, und die Wechselwirkung zwischen dem Laser und dem Lichtbogen wird verwendet, um die Laserschweißeindringung und Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen und die Genauigkeit der Schweißmontage zu verringern. Die Verwendung von Zusatzdraht zur Steuerung der Struktur und Leistung der Schweißverbindung und die Hilfswirkung des Lichtbogens zur Verbesserung der Stabilität des Laserschweißlochs, wodurch die Schweißporen reduziert werden.

Beim Laserlichtbogen-Hybridschweißverfahren beeinflusst der Lichtbogen die durch den Laserprozess induzierte Metalldampf-/Plasmawolke, was der Absorption der Laserenergie durch das Material und der Stabilität des kleinen Lochs zugute kommt. Auch die Forschungsergebnisse der Schweißnaht beim Laserlichtbogen-Hybridschweißen von Aluminiumlegierungen bestätigten deren Wirkung.

05 Faserlaserschweißen

Der Pinhole-Effekt des Laser-Tiefschweißverfahrens entsteht durch die starke Verdampfung des Metalls unter Einwirkung des Lasers. Die Dampfleistung der Metallverdampfung hängt eng mit der Laserleistungsdichte und der Strahlqualität zusammen, was nicht nur die Eindringtiefe des Laserschweißens beeinflusst, sondern auch die Stabilität des kleinen Lochs beeinflusst. Seiji. et al. Untersuchungen zum Hochleistungs-Faserlaser SUS304 aus Edelstahl zeigten, dass sich das Schmelzbad während des Hochgeschwindigkeitsschweißens verlängert, Spritzer unterdrückt wurden, die Fluktuation des kleinen Lochs stabil war und keine Blasenbildung an der Spitze auftrat des kleinen Lochs. Wenn der Faserlaser zum Hochgeschwindigkeitsschweißen von Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen verwendet wurde, kann dasselbe ohne Porositätsschweißnähte erzielt werden.

Die Forschung von Allen et al. zur Schutzgaskontrolltechnologie für das Laserschweißen von Titanlegierungen hat gezeigt, dass durch die Kontrolle der Position des Schweißschutzgases verhindert werden kann, dass das Gas beteiligt ist, die Lochschließzeit reduziert und das Schweißloch stabilisiert werden kann , und verändern das Erstarrungsverhalten des Schmelzbades, wodurch die Porosität der Schweißnaht reduziert wird.

06 Pulslaserschweißen

Im Vergleich zum kontinuierlichen Laserschweißen nimmt die Laserleistung eine pulsierende Leistung an, die den periodischen und stabilen Fluss des Schmelzbads fördern kann, was das Entweichen von Blasen im Schmelzbad begünstigt und die Poren der Schweißnaht reduziert. TY Kuo und SL Jeng untersuchten den Laserleistungsausgangsmodus des YAG-Laserschweißens und die Auswirkungen auf die Poren und die Leistung von SUS 304L-Edelstahl- und Inconel 690-Superlegierungsschweißnähten. Die Ergebnisse zeigen, dass: beim Rechteckwellen-Pulslaserschweißen die Porosität der Schweißnaht abnimmt, wenn die Grundleistung 1700 W beträgt. Die Porosität von Edelstahl wird von 2.1% auf 0.5% und die Porosität von Superlegierungen von 7.1% auf 0.5% reduziert.

07 Verbundbehandlungstechnik nach dem Schweißen

In tatsächlichen technischen Anwendungen ist der Schweißprozess stabil, selbst wenn eine strenge Oberflächenbehandlung vor dem Schweißen durchgeführt wird, und das Laserschweißen von Aluminiumlegierungen erzeugt unweigerlich Schweißporen. Daher ist es sehr wichtig, eine Nachbehandlung zu verwenden, um Poren zu entfernen. .

Dieses Verfahren ist derzeit hauptsächlich das modifizierte Schweißen. Die heißisostatische Presstechnologie ist eine der Methoden, um innere Poren und Schrumpfung von Gussteilen aus Aluminiumlegierungen zu beseitigen. Es wird mit der Spannungswärmebehandlung nach dem Laserschweißen von Aluminiumlegierungen kombiniert, um lasergeschweißte Aluminiumlegierungskomponenten zu bilden. In Kombination mit einer Wärmebehandlung beseitigt es nicht nur die Porosität der Schweißnaht, sondern verbessert auch die Verbindungsleistung.

Aufgrund der Eigenschaften von Aluminiumlegierungen gibt es noch viele Probleme bei der Anwendung des Hochleistungslaserschweißens, die eingehend untersucht werden müssen. Das Hauptproblem besteht darin, die Schweißporenfehler zu kontrollieren und die Schweißqualität zu verbessern. Die technische Kontrolle der Porosität beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen sollte alle Aspekte des Schweißens, des Schweißprozesses und der Nachbehandlung des Schweißens umfassend berücksichtigen, um die Stabilität des Schweißprozesses zu verbessern. Daraus wurden viele neue Technologien und Verfahren abgeleitet, wie zum Beispiel Laserreinigung vor dem Schweißen, Optimierung der Schweißprozessparameter Rückenbreitenverhältnisregelung, Zweistrahl-Laserschweißen, Laserlichtbogen-Hybridschweißen, Pulslaserschweißen und Faserlaserschweißen.

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